KR102038920B1 - 초음파 진동 유닛의 작업 범위를 결정하기 위한 방법 및 회로 장치 - Google Patents

Abstract

초음파 진동 유닛(7)은 출력부(2a)를 통해 발전기(2)에 의해 에너지가 공급되고, 초음파로 진동하도록 여기되며, 초음파 진동 유닛(7)의 적어도 구성 부분, 바람직하게 이에 포함된 초음파 트랜스듀서(8)와, 발전기(2)의 구성 부분, 바람직하게 외부측 상의 매칭 네트워크(2b)가 동조 회로(2c, 2d)를 형성하여, 초음파 진동 유닛(7)의 작동 범위를 결정하기 위한 방법이 제공된다. 상기 방법은, 측정 회로(3)가 발전기(2)의 출력부(2a)의 상류에 연결되며, 전압(U)은 측정 회로(3)를 통해 동조 회로에 인가되고, 측정 회로(3)에 의해, 동조 회로의 임피던스의 위상, 바람직하게 진폭 및 위상이 작업 범위를 결정하기 위하여 평가되는 것을 특징으로 한다. 본 발명은 또한 상기된 방법을 수행하기 위한 회로 장치에 관한 것이다.

Description

초음파 진동 유닛의 작업 범위를 결정하기 위한 방법 및 회로 장치{METHOD AND CIRCUIT ARRANGEMENT FOR DETERMINING A WORKING RANGE OF AN ULTRASONIC VIBRATING UNIT}

본 발명은 초음파 진동 디바이스의 작업 범위를 결정하기 위하여 청구항 제1항의 서문에서 청구된 바와 같은 방법에 관한 것이고, 초음파 진동 디바이스는 출력부를 통해 발전기에 의해 전기 에너지가 공급되며 초음파로 진동하도록 유도되며, 적어도 초음파 진동 디바이스의 구성요소, 바람직하게 초음파 진동 디바이스에 포함된 초음파 트랜스듀서와, 발전기의 구성요소, 바람직하게 출력측 매칭 네트워크(output-side matching network)는 동조 회로를 형성한다.

또한, 본 발명은, 초음파 진동 디바이스를 가지는, 본 발명에 따른 방법을 수행하기 위한 청구항 제8항에 청구된 바와 같은 회로 장치에 관한 것이며, 초음파 진동 디바이스는 발전기에 연결되고, 출력부를 통해 발전기에 의해 전기 에너지가 공급되며 초음파로 진동하도록 유도될 수 있으며, 적어도 초음파 진동 디바이스의 구성요소, 바람직하게 상기 초음파 진동 디바이스에 포함된 초음파 트랜스듀서와, 발전기의 구성요소, 바람직하게 출력측 매칭 네트워크는 동조 회로를 형성한다.

초음파 진동 디바이스(또한, 초음파 진동 시스템으로서 지칭됨)는 초음파 세척 분야에서 뿐만 아니라 예를 들어 초음파 용접 또는 절단과 같은 다른 기술 분야에서 사용된다. 고주파 전기 신호를 사용하는 여기(excitation)에 의해 진동을 유도하는 초음파 발전기에 더하여, 진동 디바이스가 필요하며, 진동 디바이스는 초음파 트랜스듀서(예를 들어, 피에조 트랜스듀서)를 포함하거나 또는 이와 상호 작용하며, 초음파 트랜스듀서는 전기 진동(electrical oscillation)을 기계적 진동(mechanical vibration)으로 변환한다. 또한, 진동 디바이스는 실제의 초음파 진동기 또는 에미터, 또는 소노트로드(sonotrode)를 추가로 포함하고, 이는 매체 또는 도구에 실제 초음파 진동을 출력한다.

진동 디바이스 또는 초음파 트랜스듀서와 그 전기 매칭 네트워크를 구비한 초음파 발전기는 함께 전자기 동조 회로를 형성한다. 적용 분야에 따라서, 진동 디바이스는 다양한 기하학적 형상 및 크기와 다양한 물질로 구성될 수 있으며, 이것들은 그 형상 및 조성과 상기 형상 및 조성과 공존하는 상기 동조 회로의 변형된 특성으로 인하여 상이한 작동 범위를 가지며, 요구되는 최적의 작동 주파수는 이에 관련된다. 이러한 작동 범위는 소위 병렬 및 직렬 공진의 진동 거동에서 공진 지점(resonant point)들(공진 주파수)에 의해 주파수 영역(frequency domain)에서 한정되거나 또는 제한될 수 있다. 공진 지점들이 알려졌을 때, 발전기와 진동 디바이스와 함께, 이러한 것이 장비된 초음파 디바이스의 최적의 작동 범위가 결정될 수 있다.

진동 디바이스를 교환하는 것이 필요하면, 새로운 진동 디바이스 또는 대응하는 동조 회로는 대체로 이전에 사용된 진동 디바이스와 동일한 시동 주파수(starting frequency) 또는 동일한 작동 범위를 갖지 못한다. "시동 주파수"는 진동 디바이스가 대응하는 초음파 디바이스의 시동 동안 초기에 여기되는 발전기의 여기 주파수로서 이해된다. 시동 주파수는 특히 디바이스 또는 진동 디바이스가 손상되지 않도록 선택되어야 한다. 아울러, 외부 파라미터에 대한 변경, 예를 들어, 큰 온도 변동은 진동 디바이스 또는 전체 동조 회로의 공진 지점들의 변이를 유발한다. 공진 지점들을 모르면, 전체 장치의 작동 범위는 알려지지 않는다.

따라서, 교환 또는 상기 변경의 경우에, 시동 주파수는 때때로 재계산되어야만 하고, 작동 범위는 대응하여 재설정되어야 한다. 이러한 목적을 위하여, 임피던스 분석기와 같은 적절한 측정 도구들이 필요하다. 그러나, 이것들은 비싸고 작동시키는데 복잡하다. 그러나, 초음파 진동 디바이스는 적절한 조정없이 적절하게 사용될 수 없다.

현장에서 공진 지점을 결정하기 위하여, 또한, 진동 디바이스의 정확한 작동을 보장하기 위하여 종래기술로부터 공지된 하나의 가능성은 아이들링 상태에서 노이즈 방출과 함께, 즉 매체 또는 압력 그리고 댐핑없이 자유로이 진동하는 진동 디바이스와 함께, 주파수 범위의 주파수 스캔을 사용하여 공진 지점을 계산하는 것으로 이루어진다. 이러한 목적을 위하여, 진동 디바이스는 낮은 발전기 출력으로 이에 적용되는 펄스폭 변조 신호를 가지며, 특정 주파수 범위는 아이들링 상태에서 스캐닝된다. 전력, 위상 및 전류흐름을 분석하는 것에 의하여, 공진 지점들은 작동 범위를 결정하기 위하여 계산된다. 그러나, 아이들링 상태에서 노이즈 방출은 먼저 매우 높은 볼륨(volume)을 요구하고, 두번째로, 진동 디바이스는 너무 높은 전력에서의 여기에 의해 손상될 수 있어서 작동하지 않을 수 있다. 작업 인원에 대한 위험 역시 예외가 아니다.

그러므로, 본 발명은 진동 디바이스의 작동 범위를 신속하고 간단히 결정할 수 있는 한편, 상기의 결점을 피할 수 있는 목적에 기반한다.

상기 목적은 본 발명에 따른 청구항 제1항의 특징을 가지는 방법에 의해 달성된다. 또한, 상기 목적은 청구항 제8항의 특징을 가지면서, 상기 방법을 수행하기 위한 회로 장치에 의해 달성된다. 유익한 전개는 종속항들의 각각의 요지이다.

본 발명에 따라서, 초음파 진동 디바이스는 출력부를 통해 발전기에 의해 전기 에너지가 공급되고 초음파로 진동하도록 유도되며, 적어도 초음파 진동 디바이스의 구성요소, 바람직하게 초음파 진동 디바이스에 포함된 초음파 트랜스듀서와, 적어도 발전기의 구성요소, 바람직하게 출력측 매칭 네트워크는 동조 회로를 형성한다. 상기 초음파 진동 디바이스의 작동 범위를 결정하기 위한 방법에 있어서, 측정 회로는 발전기의 출력부의 상류에 연결되고, 전압은 측정 회로를 통해 동조 회로에 인가되며, 동조 회로의 임피던스의 적어도 위상, 바람직하게 진폭(magnitude) 및 위상은 측정 회로에 의해 측정되며, 임피던스의 적어도 위상, 바람직하게 진폭 및 위상은 작동 범위를 결정하도록 평가되는 것을 특징으로 한다.

임피던스는 복합 교류 전압 및 복합 교류 전류의 지수(quotient)이며, 당업자에게, 임피던스는 사인파 교류 전류의 크기에 대한 사인파 교류 전압의 크기의 비율을 나타내며, 또한 이것은 상기 2개의 변수 사이의 위상 변이(phase shift)를 의미한다. 후자는 본 발명에서 "임피던스의 위상"으로 지칭된다.

본 발명에 따라서, 초음파 진동 디바이스는 발전기에 연결되고 출력부를 통해 발전기에 의해 전기 에너지가 공급될 수 있고 초음파로 진동하도록 유도될 수 있으며, 적어도 초음파 진동 디바이스의 구성요소, 바람직하게 초음파 진동 디바이스에 포함된 초음파 트랜스듀서와, 발전기의 구성요소, 바람직하게 출력측 매칭 네트워크는 동조 회로를 형성한다. 초음파 진동 디바이스를 가진, 본 발명에 따른 방법을 수행하기 위한 회로 장치에 있어서, 측정 회로는 발전기의 출력부의 상류에 연결되고, 전압은 측정 회로를 통해 동조 회로에 인가될 수 있고, 동조 회로의 임피던스의 위상, 바람직하게 진폭 및 위상은 측정 회로의 수단에 의해 측정될 수 있으며, 회로 장치는 작동 범위를 결정하는 목적을 위하여 임피던스의 위상, 바람직하게 진폭 및 위상을 평가하도록 설계되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 상세한 설명에 있어서, 초음파 진동 디바이스에 포함된 초음파 트랜스듀서와 발전기의 출력측 매칭 네트워크는 동조 전기 회로를 형성한다. 상기 동조 회로의 거동에 영향을 주는 실제의 초음파 진동기 또는 에미터가 또한 추가로 고려되면, 확장된 동조 전기 기계 회로가 생긴다. 두 용어는 본 설명 중에 동의어로 사용되고, "동조 회로"로 일반화된다.

본 발명에 따라서, "프리스캔(prescan)"의 형태의 상황에서, 초음파 진동 디바이스의 최적의 작동 범위는 상기 측정 회로를 사용하여 계산될 수 있으며, 이러한 목적을 위하여 실질적으로 "아이들링 상태에서" 진동하도록 유도되어야 할 진동 디바이스 자체없이 제어 관점에서 추후의 작동을 위해 사용될 수 있다.

제1 전개의 부분으로서, 본 발명은 측정 회로가 발전기 내에 있는 변압기에 연결되는 것을 제공한다. 이 경우에, 측정 회로는 발전기 자체 내에 배열될 수 있다. 그러나, 대안적으로, 이동 측정 스테이션을 실현하기 위하여 측정 회로가 발전기 외부에 배열되는 것이 또한 제공될 수 있다.

특히 바람직하게, 변압기가 1차측 또는 2차측에, 바람직하게 동조 회로에서 상기된 측정을 수행할 수 있기 위하여, 전기 회로망이라는 면에서, 동조 회로와 측정 회로 사이에 배열되는 1차측 또는 2차측, 바람직하게 1차측 보조 권선 상에 유도식 커플링(inductive coupling)을 가지는 것이 제공될 수 있다. 가장 바람직하게, 변압기는 1차측에, 1차측 권선에 더하여 실제 RF 여기 신호를 위한 엔드 스테이지(end-stage)(작동)를 위한 보조 권선을 가지며, 보조 권선은 동조 회로와 측정 회로 사이에 배열되고, 상기 동조 회로와 측정 회로에 전기적으로 작동 가능하게 연결된다. 유익하게, 측정 회로는 변압기에 대하여 1차측에 배열되고, 동조 회로는 2차측에 배열된다.

그러나, 본 발명은 상기 변압기에 대한 유도식 커플링에 대하여 어떠한 방식으로도 제한되지 않으며, 오히려, 본 발명의 다른 전개는 전압이 유도식 커플링을 통해 인가되는데, 발전기 내에 있거나 또는 발전기와 전기 작동 가능하게 연결되어 있는 다른 구성요소, 특히 인덕턴스 또는 인덕터(코일)에 전압을 인가한다. 본 발명에 따른 회로 장치에 관하여, 측정 회로는 발전기 내에 있는 유도 구성요소에 연결되거나 또는 발전기에 전기적으로 작동 가능하게, 바람직하게 유도적으로 결합되는 준비가 대응하여 만들어질 수 있다. 이러한 상황에서, "유도적으로 결합된"은 당업자에게는 통상적인 것인 적절한 구성요소의 유도 특성을 이용하는 것에 의해 전자기 작동 연결로서 이해되어야 한다.

바람직하게(그러나 제한되지 않는), 측정 회로는 연산 증폭기 또는 임피던스 컨버터로 설계되며, 이는 추후에 보다 상세하게 설명된다. 본 발명에 따른 회로 장치의 설계는 특히 상기된 변압기가 시판중인 초음파 발전기의 경우에 이미 존재함으로써 회로 관점에서 단지 경미한 비용이 지출된다.

발생하는 신호를 기록하고 평가하기 위하여, 주파수의 함수로서 동조 회로의 임피던스의 진폭 및 위상의 신호 프로파일을 판독하기 위한 신호 처리 유닛 및/또는 측정된 신호 프로파일을 평가하기 위한 데이터 처리 유닛이 동조 회로에 할당된다. 신호 처리 유닛은 임피던스의 위상에 비례하는 DC 전압을 발생시키도록 설계될 수 있다. 데이터 처리 유닛은 바람직하게 측정된 신호 프로파일들에 기초하여 작동 범위를 자동으로 검출 및/또는 디스플레이하도록 설정된다. 신호 처리 유닛과 데이터 처리 유닛 모두는 발전기 자체 내에 배열되거나 또는 설계될 수 있다. 이동 평가를 가능하게 하기 위하여 상기 유닛들의 외부 배열이 또한 가능하며, 처리되거나 또는 평가될 신호는 발전기의 대응 신호 출력에서 탭핑될 수 있다(tapped). 평가를 위한 하나의 가능성은 시판중인 오실로스코프를 사용하는 것이다.

동조 회로를 여기하기 위하여, 본 발명은 특히 바람직하게 전압이 발전기 내에 있는 변압기에 대한 유도성 1차측 또는 2차측 커플링을 통하여, 바람직하게 발전기의 1차측 보조 권선을 통하여 동조 회로에 인가된다. 이와 관련하여, 바람직하게 임피던스의 진폭 및/또는 위상은 변압기에 대한 유도식 커플링을 통하여, 바람직하게 변압기의 1차측 보조 권선을 통하여 측정된다. 바람직하게, 대략 1-50 V, 바람직하게 대략 1 내지 15 V, 가장 바람직하게 5 V 진폭의 비교적 작은 전압이 인가된다. 이러한 경우에, 전압은 엔드 스테이지 또는 대응하는 1차측 변압기 권선을 통하지 않고, 유도식 커플링 또는 보조 권선을 통해 동조 회로 또는 진동 디바이스에 직접 인가된다. 따라서, 1차측 상에서 동조 회로의 임피던스를 측정하는 것이 특히 유익하고, 측정은 완전히 엔드 스테이지의 인가없이 상기 변압기 보조 권선만을 사용하여 행해진다. 이러한 것의 결과로서, 진동 디바이스는 종래로부터 공지된 바와 같이 진동하도록 유도되지 않는다. 그러므로, 이미 설명된 바와 같이, 측정은 노이즈가 발생하지 않고, 그리고 작업자 및 설비에 대한 어떠한 위험도 일어나지 않는다.

측정 회로는 또한 바람직하게, 측정 회로를 사용하여 측정이 일어나는 주파수(f)가 인가될 수 있는 주파수 입력부를 가진다. 구성의 일부로서, 또한 바람직하게, 동조 회로의 임피던스의 진폭 및 위상이 변압기의 1차측 보조 권선을 통해 측정되거나 또는 결정된다. 측정의 목적을 위하여 또는 대응하는 신호 처리 및 평가를 위하여, 측정된 신호는 적절하게 설계된 신호 처리 유닛의 수단에 의해 측정 회로의 대응하는 신호 출력부에서 바람직하게 탭핑된다. 이러한 것은 평가의 목적을 위하여 동조 회로의 임피던스의 측정된 위상에 비례하는 DC 전압을 발생시키도록 특별히 설계될 수 있다.

이러한 것 후에, 측정되거나 또는 탭핑된 신호들은 바람직하게 신호 처리 유닛으로부터 데이터 처리 유닛으로 전송되고, 신호들은 상술된 바와 같이 임피던스의 위상에 비례하는 DC 전압에 기초하여 바람직하게 평가된다. 위상의 진폭 및/또는 위상의 수학적 표시(sign)에 의존하여, 데이터 처리 유닛은 그 작동 범위의 섹션에 동조 회로 또는 진동 디바이스가 있는 것을 검출할 수 있다. 0°의 임피던스 위상(동일 위상의 전압 및 전류)은 예를 들어 공진 지점을 나타낸다. 그러므로, 스캔의 과정에서 사전 정의된 기본 주파수의 시퀀스의 경우에, 대응하는 공진 지점들이 검출될 수 있다. 임피던스 측정은 진동 디바이스가 고르게 순탄히 연결되었는지(진동 디바이스없이, 비교적 큰 진폭을 갖는 일정한 위상이 있는) 또는 쇼트 회로가 공급 라인에서 발생되었는지(설정 주파수와 관계없이 위상이 0°)를 검출하고 차별화하는 것을 가능하게 한다. 그러므로, 장치는 간단한 흠 발견(fault finding)을 위해 사용될 수 있다.

바람직하게, 이러한 스캔은 초음파 디바이스의 실제 시동 전에 소위 프리스캔으로서 일어난다.

동조 회로의 임피던스의 측정은 본 발명의 적절한 구성의 부분으로 외부 임피던스 분석기를 사용하여 수행되어야만 하지 않고, 대신에 상기 변압기가 사용된 초음파 발전기의 경우에 항상 존재하고 단지 그 1차측에 추가된 보조 권선을 가질 필요만이 있기 때문에, 현존하는 발전기를 사용하여 수행될 수 있다.

본 방법은 추가적으로 또는 대안적으로 동조 회로, 그러므로 진동 디바이스의 연속적인 모니터링을 달성하기 위하여 연속 작동 동안 사용될 수 있다. 이와 관련하여, 데이터 처리 유닛은, 모니터링 시스템이 기능 불량을 나타내면 진동 디바이스로의 전원 공급을 중단 또는 제한하기 위하여 디바이스의 나머지, 특히 발전기에 대응하는 제어 신호를 바람직하게 공급한다. 시동 전 또는 시동 동안의 손상이 진동 디바이스의 여기 부족에 의해 회피되고, 소음 공해가 방지된다.

본 발명의 추가의 상세 및 특징은 도면을 참조하여 예시적인 실시예의 다음의 설명으로부터 알 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 방법을 수행하기 위한 본 발명에 따른 회로 장치를 구비한 변압기의 등가의 회로도;
도 2는 본 발명에 따른 회로 장치의 개략 기능 회로도;
도 3은 본 발명에 따른 회로 장치의 부분으로서 가능한 측정 회로의 상세 회로도;
도 4는 본 발명에 따른 방법의 구성의 흐름도;
도 5 내지 도 7은 본 발명에 따른 방법의 범위 내에서 측정 평가 경우에 측정된 신호 프로파일들의 예를 도시한 도면.

도 1은 본 발명의 실시예에 따라서, (초음파) 발전기(2) 내에 배열된 변압기(1)(점선 박스)를 포함하는 초음파 진동 시스템의 등가의 회로도를 도시한다. 변압기(1)는 측정 회로(3)에 또한 연결된다. 1차측 변압기 권선(4)은 페라이트 코어(5)를 통해 인덕턴스(2차측 변압기 권선)(6)에 작동 가능하게 연결되고, 변압기(1)는 또한 도시된 예시적인 실시예에서 추가의 1차측 보조 권선(4a)을 가진다.

변압기(1)의 2차측 상의 인덕턴스(6)는 초음파 트랜스듀서(8)에 전기적으로 연결되고, 트랜스듀서는, 케이블(10)의 수단에 의해 발전기(2)의 출력부(2a)에 연결되고, 인덕턴스(6) 및 발전기(2)의 통상 존재하는 매칭 네트워크(2b)와 함께 동조 전기 회로(2c)를 형성한다. 초음파 트랜스듀서(8), 예를 들어 피에조 트랜스듀서는 발전기(2)로부터의 전기 에너지를 기계 에너지로 변환한다. 초음파 진동기(8a) 자체는 상기 초음파 트랜스듀서의 하류에 연결되고, 초음파 진동기(8a), 예를 들어 초음파 커팅 블레이드가 초음파 트랜스듀서(8)에 의해 기계적으로 진동하도록 유도될 수 있어, 초음파 트랜스듀서(8)와 초음파 진동기(8a)는 초음파 진동 디바이스(7)를 형성한다. 초음파 진동기(8a)와 함께, 동조 전기 회로(2c)의 구성요소(2b, 8)들은 확장 변조된 전기 기계 회로를 형성하고, 이는 도1의 도면부호 2d로 도시된다. 전기 에너지는 변압기(1) 또는 발전기(2)의 수단에 의해 동조 회로(2c, 2d)로 안내될 수 있으며, 정규 작동 동안, 원하는 주파수의 전기 여기 신호는 상기 1차측 변압기 권선(4)(엔드 스테이지 권선)을 통해 변압기(1)에 연결되는 엔드 스테이지(여기)(9)에 의해 증폭된다.

발전기(2), 및 특히 본 발명에서 측정 회로(3)는 동조 회로(2c, 2d)의 전기 신호를 탭핑하기 위하여 신호 처리 유닛(11)에 연결되고, 탭핑된 신호의 추가 평가를 위해 데이터 처리 유닛(12)에 연결된다. 이러한 데이터 처리 유닛은 적절한 평가 소프트웨어를 구비한 시판중인 컴퓨터, 또는 오실로스코프와 같은 적절한 프로세서 수단을 포함한다. 신호 처리 유닛(11)과 데이터 처리 유닛(12)은 도시된 실시예에서 발전기(2)의 외부에 배열된다.

이 시점에서, 본 발명이 원칙적으로 변압기(1)의 1차측 보조 권선을 통해 측정 회로(3)를 결합하는 것으로 제한되지 않는다는 것을 유념하여야 한다. 대안적으로, 2차측 보조 권선이 또한 사용될 수 있거나, 또는 일반적으로 변압기 또는 다른 유도적으로 효과적인 구성요소(도시되지 않음)에 대한 측정 회로의 유도식 커플링이 실현될 수 있다(도 2 참조).

도 2는 본 발명의 범위 내에서 사용될 수 있는 측정 회로의 기본적인 기능 회로도를 도시한다. 이미 상술되고 측정 회로의 잔여부분이 유도적으로 결합되는 변압기가 도시된다. 회로는 임의의 방식으로 설계된 전류 비교기와, 마찬가지로 임의의 방식으로 설계된 전압 비교기를 포함하고, 이것들은 주파수 발생기에 연결된다. 전류 비교기는 측정된 전류 신호를 공급하고, 전압 비교기는 측정된 전압 신호를 공급한다. 2개의 측정된 신호는 변압기에 결합된 동조 회로(도 1 참조)의 임피던스의 위상 및/또는 진폭를 결정하기 위하여 평가기로 공급된다.

도 3은 도 2에 따른 개념이 이해될 수 있는 본 발명에 따른 회로 장치의 부분으로서 측정 회로(3)의 상세 회로도를 도시한다. 도면은 연산 증폭기를 사용하여 구성된 예시적인 회로를 도시한다. 신호 입력부(A)가 제공되며, 특정 주파수(도 2에 있는 "주파수 발생기" 참조)는 신호 입력부를 통해 측정 회로(3)에 인가될 수 있으며, 이 주파수에서, 동조 회로에서의 측정이 수행된다. (프리) 스캔의 부분으로서, 상기 주파수는 특히 연속으로 변할 수 있다. 측정 회로(3)는 도 3에서 R1 내지 R6으로 지시된 다수의 저항을 또한 가진다. 다이오드(D) 및 캐패시터(C1, C2)들이 또한 제공된다. 측정 회로(3)는 노드(K)를 통해 1차측 변압기 보조 권선(4a)(도 1 참조)에 연결되고, 그러므로 신호라는 면에서 회로 장치의 나머지에 또는 동조 회로에 연결된다. 2개의 연산 증폭기(13)들이 도 3에 따른 회로도에 또한 배열되며, 각각의 경우에, 소위 트랜스-임피던스 컨버터(trans-impedeance converter)가 전류 비교기로 작동된 결과로, 반전된 슈미트 트리거(14)는 상기 연산 증폭기의 하류에 연결된다. 회로(3)의 측정된 신호 또는 출력 신호로서, 동조 회로에서 흐르는 전류의 위상에 대응하는 신호는 출력부(B1)를 통해 탭핑될 수 있으며, 동조 회로에 존재하는 전압의 위상에 대응하는 신호는 출력부(B2)를 통해 탭핑될 수 있다.

당업자가 용이하게 감지하는 것으로서, 본 발명은 도 3에 따른 회로의 사용에 대해 어떠한 방식으로도 한정되지 않는다. 비교 가능한 측정 결과를 공급하는 어떠한 회로도 대안적으로 본 발명의 범위 내에서 사용될 수 있다. 임피던스 컨버터(예를 들어, AD5933 또는 AD5934)를 구비한 회로(3)의 예시적 대안적인 실현이 마찬가지로 가능하다.

도 4는 본 발명에 따른 방법의 흐름도를 도시한다. 단계 F에 따라서, 방법이 시작되면, 저전압을 가지는 측정 여기 신호가 도 3에 따라서 측정 회로(3)의 입력부(A)를 통해 동조 회로(2c, 2d)에 직접 주어지고(도 1 참조), 즉 변압기(1)의 보조 권선(4a)을 통해 그리고 하류에 연결된 발전기(2)의 구성요소들을 통해 초음파 트랜스듀서(8)에 주어진다. 측정된 신호는 주파수 입력부(A)를 통해 회로 장치에(바람직하게 가변적인) 주파수(f)로 공급되고, 낮은 진폭의 전기 전압(U)만이 보조 권선(4a)에 인가된다. 전압(U)은 대략 1-50 V의 전압값의 범위로부터 선택되며, 본 명세서에 설명된 예시적인 실시예에서 바람직하게 U = 5 V이다. 전압이 보조 권선(4a)을 통해 동조 회로(2c, 2d)에 주어지기 때문에, 엔드 스테이지(9)에서 전압이 없다. 그러므로, 엔드 스테이지(9)를 통해 초음파 트랜스듀서(8)로 공급되는 여기 신호의 증폭은 어느 하나에서도 일어나지 않는다. 그 결과, 동조 회로(2c, 2d)는 기계 진동 에너지로의 전기 에너지의 주목할만한 변환없이 임피던스 측정의 목적을 위해 단지 낮은 레벨로만 여기된다. 그러므로, 초음파 트랜스듀서(8)를 통하는 것과 같이 진동 디바이스(7)의 식별할만한 여기가 없다.

다음 단계 G에서, 동조 회로의 임피던스는 측정 회로(3)를 사용하여 측정되고, 전류를 위한 측정 신호는 출력부(B1)에서 탭핑되고, 전압을 위한 측정 신호는 출력부(B2)에서 탭핑된다(도 2 참조).

이러한 신호들은 단계 H에서 신호 처리 유닛(11)에 의해 기록된다. 측정되고 기록된 신호 프로파일은 그런 다음 임피던스의 위상(전류와 전압 사이의 위상차)에 비례하는 DC 전압에 기초하여 데이터 처리 유닛(12)의 수단에 의해 단계 I에서 평가된다. 예를 들어, 시판중인 오실로스코프가 간단하고 신속한 평가를 위해 사용될 수 있다.

도 5내지 도 7은 신호 처리 유닛(11)과 데이터 처리 유닛(12)으로서 오실로스코프에 의해 상기 신호들 또는 신호 프로파일들의 예시적인 평가를 나타낸다.

각 경우에, 제1 라인(15)은 전압 신호의 평가에 관계하고; 제2 라인(16)은 전류 신호에 관계한다. 이와 관련하여, 각 경우에, 신호(15, 16)들의 영점 교차 사이의 상대 위상 관계가 고려되어야 한다. 위상차(Dt)들 사이에 대응하는 위상차 관계는, 쇼트 회로가 존재하든, 진동 디바이스(7) 또는 관련 초음파 트랜스듀서(8)(도 1 참조)가 심지어 연결되었든, 진동 시스템의 작동 범위에 있는 지점이 도달되었는지의 표시를 준다. 수학적 신호는 또한 이러한 목적을 위하여 고려되어야 한다. 예를 들어, 직렬 및 병렬 공진의 공진 지점들 사이의 범위(작동 범위)에서, 임피던스의 위상은 0이 아닌 양의 수학적 표시 및 진폭를 가져야 하고, 전류는 전압을 유도한다(도 7 참조). 직렬 공진 아래에서, 0이 아닌 진폭를 가진 음의 위상이 예상된다. 병렬 공진 위에서, 0이 아닌 음의 수학적 표시 및 진폭를 갖는 위상이 마찬가지로 측정 가능하여야 한다(도 6 참조). 주파수에 관계없는 0°의 위상의 경우에, 쇼트 회로가 발생하였으며; 0이 아니고 음의 수학적 표시인 위상 진폭의 경우에, 주파수에 관계없이, 진동 디바이스(7)는 실패할 수 있거나 또는 나쁘게 연결될 수 있다(소위, "오픈 엔드(open end)").

각각의 위상(전류, 전압)의 진폭는 결정될 수 있으며, 그러므로 동조 회로(2c, 2d)(도 1 참조)의 임피던스의 위상은 예시된 평가로부터 계산될 수 있으며, 이는 바람직하게 도 1에 따른 요소(11, 12)들에 의해 수행되며, 그런 다음, 그 결과는 개방 루프 또는 폐쇄 루프 제어에 의해 도 1에 따른 전체 시스템의 작동에 소급 작용할 수 있다. 주파수 범위를 동조하고 설명된 측정 전압(U)의 각각의 인가에 의해, 공진 지점들의 위치가 계산되고, 그 결과, 진동 디바이스(7)의 작동 범위는 부드럽게 확립되고, 디바이스를 제어하도록 사용될 수 있다.

이러한 목적을 위하여, 도 5는 동조 회로의 병렬 또는 직렬 공진의 지점에서의 평가의 예를 도시한다. 신호(15, 16)들의 영점 교차(zero corssing)의 시간차(temporal difference)(Dt)에 대응하는 임피던스의 위상은 실질적으로 정밀하게 0°를 나타낸다. 위상의 진폭은 공진 지점들에서 항상 0이어야 한다. 적절하게 연결된 진동 시스템의 경우에, 이러한 상태는 작동 범위에 걸쳐서 또는 그 가장자리에서 2번 일어난다.

예를 들어, 도 6은 전압 신호(15)가 전류 신호(16)(음의 위상)를 앞서는 경우를 도시한다. 0°와 같지 않은 진폭를 가진 이러한 것과 같은 음의 위상은 직렬 공진 아래 및 병렬 공진 위에서 예측될 것이다.

도 7은 직렬 및 병렬 공진 사이의 주파수 범위(작동 범위)의 도면을 도시한다. 여기에서, 위상은 양의 수학적 표시의 경우에 0°보다 큰 값을 가지며, 이는 전류(16)가 전압(15)을 앞서는 것을 의미한다.

도 5에 따른 신호들이 모든 주파수에 걸쳐서 측정되면, 쇼트 회로의 경우가 존재하고, 대략 0°의 위상이 그런 다음 선택된 주파수에 관계없이 측정된다. 사용된 동조 회로의 직렬 공진 아래 및 병렬 공진 위인 주파수의 경우에, 0과 같지 않은 진폭를 가진 음의 위상은 사실 동조 회로가 기능할 때 검출되어야만 하고(도 6 참조); 대조적으로, 0과 같지 않은 양의 위상은 공진 지점들 사이에서 검출되어야 한다(도 7 참조).

대조적으로, 도 6은 0°미만의 위상이 선택된 주파수에 관계없이 주파수 응답에 걸쳐서 측정되면 진동 디바이스가 완전히 실패한 경우를 도시한다. 대조하여, 정확히 연결된 진동 디바이스의 경우에, 도 5 내지 도 7에 따른 모든 측정된 상태가 적어도 한번 발생한다.

1 변압기 2 발전기
2a 발전기 출력부 2b 매칭 네트워크
2c 동조 회로(전기적) 2d 동조 회로(전기 기계적)
3 측정 회로 4 변압기 권선
4a 보조 권선 5 페라이트 코어
6 인덕턴스 7 진동 디바이스
8 초음파 트랜스듀서
8a 초음파 에미터, 진동기; 소노트로드
9 엔드 스테이지 10 케이블
11 신호 처리 유닛 12 데이터 처리 유닛
13 연산 증폭기 14 반전된 슈미트 트리거
15 전류 신호 16 전압 신호
A 입력 주파수 B1 출력 위상 전류
B2 출력 위상 전압 C1-2 캐패시터
D 다이오드 K 노드
R1-6 저항 F-I 방법 단계

Claims (18)

1. 초음파 진동 디바이스(7)의 작동 범위를 결정하기 위한 방법에 있어서,
   상기 초음파 진동 디바이스(7)는 발전기(2)에 의한 전기 에너지가 출력부(2a)를 통해 공급되고 초음파로 진동하도록 유도되며, 적어도 초음파 진동 디바이스(7)의 구성요소와 발전기(2)의 구성요소는 동조 회로(2c, 2d)를 형성하고,
   - 측정 회로(3) 및 엔드 스테이지(9)가 발전기(2)의 출력부(2a)의 상류 쪽에서 초음파 진동 디바이스에 연결되며, 상기 엔드 스테이지는 초음파 진동 디바이스(7)의 여기를 위해 동조 회로(2c, 2d)에 신호를 인가하도록 설계되고,
   - 전압(U)은 측정 회로(3)를 통해 동조 회로에 인가되는 동시에 상기 전압(U)이 인가되는 동안 엔드 스테이지(9)는 전압이 없는 상태로 유지되고,
   - 동조 회로의 임피던스의 적어도 위상이 측정 회로(3)에 의해 측정되며,
   - 임피던스의 적어도 위상이 작동 범위를 결정하기 위해 평가되는 것을 특징으로 하는 방법.
2. 제1항에 있어서,
   전압(U)은 발전기(2) 내에서 유도식 커플링을 통해 인가되거나 또는 발전기(2)와 작동 가능하게 연결된 부위에 인가되는 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제1항에 있어서,
   전압(U)은 발전기(2) 내에 있는 변압기(1)에 대한 유도성 1차측 또는 2차측 커플링을 통해 동조 회로에 인가되는 것을 특징으로 하는 방법.
4. 제3항에 있어서,
   전압(U)은 발전기(2)의 1차측 보조 권선(4a)을 통해 동조 회로에 인가되는 것을 특징으로 하는 방법.
5. 제2항에 있어서,
   임피던스의 위상은 유도식 커플링을 통해 측정되는 것을 특징으로 하는 방법.
6. 제4항에 있어서,
   임피던스의 위상은 변압기(1)의 1차측 보조 권선(4a)을 통해 측정되는 것을 특징으로 하는 방법.
7. 제1항에 있어서,
   1-50 V의 전압(U)이 인가되는 것을 특징으로 하는 방법.
8. 제7항에 있어서,
   5 V의 전압(U)이 인가되는 것을 특징으로 하는 방법.
9. 제1항에 있어서,
   측정 회로(3)에 의해 측정된 신호들은 작동 범위를 결정하기 위하여 신호 처리 유닛(11)에 의해 측정 회로(3)의 신호 출력부(B1, B2)에서 탭핑되는 것을 특징으로 하는 방법.
10. 제9항에 있어서,
    측정된 신호들은 신호 처리 유닛(11)으로부터 데이터 처리 유닛(12)으로 전송되며, 상기 신호들은 임피던스의 위상에 비례하는 DC 전압에 기초하여 평가되는 것을 특징으로 하는 방법.
11. 초음파 진동 디바이스(7)를 구비하고 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항의 방법을 수행하기 위한 회로 장치에 있어서,
    상기 초음파 진동 디바이스(7)는 발전기(2)에 연결되고, 출력부(2a)를 통해 발전기(2)에 의해 전기 에너지가 공급될 수 있고, 초음파로 진동하도록 유도될 수 있으며, 적어도 초음파 진동 디바이스(7)의 구성요소와 발전기(2)의 구성요소는 동조 회로(2c, 2d)를 형성하며,
    측정 회로(3) 및 엔드 스테이지(9)가 발전기(2)의 출력부(2a)의 상류에 연결되고, 상기 엔드 스테이지는 초음파 진동 디바이스(7)의 여기를 위해 동조 회로(2c, 2d)에 신호를 인가하도록 설계되고, 전압(U)은 측정 회로(3)를 통해 동조 회로(2c, 2d)에 인가될 수 있고, 동조 회로(2c, 2d)의 임피던스의 적어도 위상이 측정 회로(3)에 의해 측정될 수 있으며, 상기 회로 장치는 또한 작동 범위를 결정하기 위해 임피던스의 적어도 위상을 평가하도록 설계되고,
    상기 회로 장치는 상기 측정 회로(3)에 전압(U)이 인가되는 동안에 상기 엔드 스테이지(9)에 전원이 공급되지 않는 상태로 유지하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 회로 장치.
12. 제11항에 있어서,
    측정 회로(3)는 발전기(2) 내의 변압기(1) 또는 유도 구성요소에 연결되거나, 또는 발전기(2)에 전기적으로 작동 가능하게 연결되는 것을 특징으로 하는 회로 장치.
13. 제12항에 있어서,
    변압기(1)는 동조 회로(2c, 2d)와 측정 회로(3) 사이에 배열된, 전기 회로 이론상의 1차측 또는 2차측 상에 유도식 커플링을 가지는 것을 특징으로 하는 회로 장치.
14. 제13항에 있어서,
    변압기(1)는 1차측 보조 권선(4a) 상에 유도식 커플링을 가지는 것을 특징으로 하는 회로 장치.
15. 제13항에 있어서,
    측정 회로(3)는 1차측에 배열되고, 동조 회로(2c, 2d)는 변압기(1)에 대하여 2차측에 배열되는 것을 특징으로 하는 회로 장치.
16. 제11항에 있어서,
    측정 회로(3)에 의해 공급되는 신호 프로파일을 판독하기 위한 신호 처리 유닛(11)이 동조 회로(2c, 2d)에 할당되고, 임피던스의 위상에 비례하는 DC 전압을 발생시키도록 설계되는 것을 특징으로 하는 회로 장치.
17. 제11항에 있어서,
    측정된 신호 프로파일들을 평가하기 위한 데이터 처리 유닛(12)이 동조 회로(2c, 2d)에 할당되고, 측정된 신호 프로파일들에 기초하여 작동 범위를 검출하거나 디스플레이하도록 설정되는 것을 특징으로 하는 회로 장치.
18. 제17항에 있어서,
    상기 데이터 처리 유닛(12)은, 발전기(2)를 위한 개방 루프 또는 폐쇄 루프 제어신호를 발생시키기 위하여 할당되고 설정되는 것을 특징으로 하는 회로 장치.

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